Учёные из Сколтеха и их коллеги исследовали взаимодействие света с узорчатыми панцирями одноклеточных диатомовых водорослей и обнаружили оптический эффект, который эти микроорганизмы могут использовать для повышения эффективности фотосинтеза. Коллектив рассчитывает, что по мере накопления знаний о диатомовых и устройстве их стеклянных панцирей откроются принципы, которые можно будет применить в датчиках света, химических и биосенсорах, защитных покрытиях против ультрафиолета, солнечных батареях и других вдохновлённых природой технологических решениях, вплоть до систем искусственного фотосинтеза, которые бы превращали углекислый газ и воду в топливо. Работа поддержана грантом РНФ и опубликована в журнале Optica.

Диатомовые водоросли — очень распространённый и хорошо адаптированный организм, одна из основных частей фитопланктона. На них приходится почти половина всей органики в океанах и четверть выработки кислорода на планете. Отличительная черта диатомовых — жёсткая клеточная стенка из диоксида кремния, материала наподобие стекла, которая пронизана образующими причудливый узор отверстиями. Панцирь защищает водоросль, участвует в выводе продуктов жизнедеятельности, захвате питательных веществ, а также — как давно предполагали учёные — взаимодействует с падающими солнечными лучами, помогая диатомее по максимуму использовать энергию, которая пробивается через толщу воды.

«Анализ оптических свойств диатомей вида Coscinodiscus oculus-iridis показал, что фрустулы, или панцири, этих водорослей, благодаря своему сложному рисунку из пор, демонстрируют так называемый эффект Тальбота. Из-за дифракции на решётке отверстий свет фокусируется в определённых точках внутри панциря. Мы не знаем, привела ли именно эта функция к возникновению такого „сита“, но, по всей видимости, водоросли пользуются этой структурой в том числе для повышения эффективности фотосинтеза. Возможно, они делают это за счёт оптимального расположения поглощающих свет хлоропластов», — рассказал первый автор исследования, доцент Центра инженерной физики Сколтеха Сергей Дьяков.

Научная группа подтвердила наличие эффекта Тальбота при помощи расчётов и планирует получить экспериментальное подтверждение, проведя опыт с искусственной структурой в увеличенном масштабе, которая воспроизводит рисунок отверстий панциря.

Старший научный сотрудник Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Юлияна Цветинович, соавтор исследования, привела примеры биомиметических технологий, которые могут выиграть от более глубокого понимания диатомовых: «Мы узнаём всё больше о свойствах панцирей диатомовых водорослей, и какие-то из используемых ими механизмов могут со временем оказаться полезны в фотонических устройствах, биосенсорах, саморегулирующихся фоточувствительных покрытиях и солнечных батареях — может быть, даже в системах искусственного фотосинтеза, которые бы преобразовывали энергию солнечного света не в электричество, а в химическое топливо».

Руководитель поддержанного РНФ проекта Дмитрий Горин, профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха, поделился своим мнением о диатомовых как объекте исследования и о перспективах продолжения работы: «Диатомовые водоросли являются ярким примером очередного шедевра природы, которая за миллионы лет эволюции сумела создать совершенный объект с точки зрения сочетания оптических и механических свойств. Мы будем продолжать исследовать физические и биохимические свойства диатомовых водорослей, и уверен, что в этой области нас ждёт ещё много интересных находок».

В авторский коллектив научной статьи также входят профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Павлос Лагудакис, профессор Александр Корсунский, старший преподаватель Алексей Салимон и научный сотрудник Евгений Статник из Центра системного проектирования Сколтеха, профессор Николай Гиппиус и научный сотрудник Илья Фрадкин из Центра инженерной физики Сколтеха (последний — также из МФТИ) и аспирант Сколтеха Дмитрий Дресвянкин, а также их коллеги Евгений Максимов (МГУ), Николай Давидович (Карадагская биостанция РАН) и Екатерина Бедошвили (Лимнологический институт СО РАН).